黃 可， 劉志剛， 王 英,2, 宋小翠， 成 業(yè)

(1. 西南交通大學 電氣工程學院， 四川 成都 610031；2. 蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院， 甘肅 蘭州 730050)

益成為人們關注焦點。高速鐵路站內，高速列車的升弓過程會引起浪涌過電壓；動車組在頻繁經過絕緣關節(jié)，尤其在經過側線牽引回流切斷點時絕緣關節(jié)易出現電弧現象[1-2]。兩者均會引起車體電勢的波動和各節(jié)車體電勢的分布不均，對動車組的安全穩(wěn)定運行不利。

動車組內的信號監(jiān)測與控制等電氣設備均以車體作為“信號地”，車體電勢必須穩(wěn)定[3]。車體電勢的波動易引起控制通信系統(tǒng)的邏輯紊亂[8]；各節(jié)車體電勢顯著的分布不均不僅易造成車載電子設備的損壞，還會引起復雜環(huán)流和轉向架軸承電蝕；已有運行經驗表明，因電蝕引起的軸承故障占軸承故障率的30%。針對以上問題，文獻[3]在建立動車組和軌道傳輸線模型基礎上利用EMTP電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析軟件得到弓網離線下車體過電壓沿車體長度方向呈縱向梯度分布的規(guī)律，并根據仿真結果擬合出車體過電壓的工程計算式，據此提出相應的抑制措施；文獻[4-5]分析了日本AC車輛車體浪涌過電壓產生原因，并結合試驗討論了避免極端浪涌現象的改進方法；文獻[6]對雷擊時車體瞬時過電壓來源進行了總結，通過理論和仿真分析發(fā)現在接地電阻器兩端并聯濾波電容能有效抑制車體過電壓；針對CRH380BL型動車組過車站鋼軌絕緣節(jié)時因車體過電壓出現設備燒損事故，文獻[7]發(fā)現車體過電壓主要因車體接地技術設置不周全引起，在此基礎上就動車組保護接地設計優(yōu)化方案，并通過現場試驗驗證方案的可行性和有效性；文獻[2，8]利用MATLAB/Simulink軟件對各種工況下車體電壓、電流隨動車組接地技術的變化規(guī)律進行了研究；文獻[9]分析了CRH2型動車組接地系統(tǒng)和軸端光電速度傳感器，據此提出了信號隔離、車體側單點接地、加強絕緣耐壓等抑制浪涌過電壓方案；此外，也有針對列車主回路接地故障診斷的研究[10]。

綜上，已有文獻對某一區(qū)段內各種工況下車體過電壓及其分布特性的系統(tǒng)分析尚不充分；此外，少有文獻在ATP-EMTP平臺上對車體過電壓及其分布特性進行仿真分析。而ATP-EMTP電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析軟件具有眾多支持用戶構建電力元件模型的特點，特別適用于模擬電力系統(tǒng)的各種暫態(tài)現象[11]。鑒于此，本文以CRH2型動車組為研究對象，分析該型動車組發(fā)車過程中車體過電壓及不均勻分布特性來源。利用ATP-EMTP軟件搭建了車-網耦合等值電路模型，對計及高速鐵路站內典型工況車體過電壓分布特性進行仿真計算，并從接地角度探討了相應的車體過電壓防護措施。

1 動車組發(fā)車中車體過電壓分析

動車組在站內發(fā)車過程會經歷升弓、正常行駛和過鋼軌絕緣節(jié)3種工況。出于鐵路信號需要，為判別動車組所處軌道區(qū)段，岔道附近的鋼軌必須絕緣。側線存在牽引回流切斷點區(qū)段(見圖1)，該區(qū)段的鋼軌絕緣關節(jié)處扼流電壓器中心未連接[1,10]。

動車組升弓和過牽引回流切斷點區(qū)段過程中均會出現車體電勢驟變及各車體電勢分布不均，其嚴重程度與動車組高壓電氣主回路和接地系統(tǒng)密切相關[7-8]。CRH2型動車組電氣主回路高壓部件及連接見圖2。高壓部件除帶保護接地開關的受電弓和高壓電纜外均位于動車組的車下區(qū)域。動車組升弓發(fā)生于列車啟動運行前，類似于機械開關通過閉合以接通電路，是一快速電磁暫態(tài)過程，因此弓頭會出現暫態(tài)過電壓。此時車載主斷路器處于斷開狀態(tài)，弓頭浪涌過電壓通過車頂高壓電纜纜芯與屏蔽層的耦合注入至各節(jié)車體上，并在車體間傳播、反射，期間造成車體電勢瞬間抬升，引起車體過電壓。動車組啟動運行后車載主斷路器處于閉合狀態(tài)，牽引電流通過工作接地系統(tǒng)回流[2]。為限制流入車體、轉向架的電流，CRH2型動車組車體與接地碳刷間設置有保護電阻器，但該電阻器的存在往往使過電壓發(fā)生時的瞬態(tài)沖擊電流加載在電阻器上，成為車體過電壓的另一重要來源。

動車組經過牽引回流切斷點絕緣節(jié)時，由于軌道充當牽引回流的導體，鋼軌絕緣縫隙使更多牽引電流流經車體和轉向架，造成車體電勢的分布不均，加速轉向架處的軸承電蝕。此外，動車組過絕緣節(jié)期間還容易產生接地電弧現象。圖3為電弧形成示意圖。由圖3所示，動車組輪對跨越鋼軌絕緣節(jié)相當于一次開關操作。該開關一次接通絕緣節(jié)兩側鋼軌，并在極短時間內斷開，若開關斷開瞬間輪對跨接電流足夠大，則會出現斬斷電流現象，使輪對與后側鋼軌間出現電弧，影響軌道電路的工作狀態(tài)和安全。

此外，由于CRH2型動車組采用分散接地方式[2]，各節(jié)動車車體與鋼軌間通過車體接地系統(tǒng)形成幾個閉合區(qū)間(見圖4)，動車車體間電壓越大，車體的接地環(huán)流越明顯。

2 車體過電壓分析的等效建模

2.1 模型搭建

鑒于我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用AT牽引供電方式，本文在ATP-EMTP平臺上建立了車-網耦合等值電路模型，模型包括牽引變電所模型、AT牽引網模型和動車組模型。其中，CRH2型動車組傳輸線電路仿真模型見圖5。

根據分析需要，動車組建模中將動車組車頂高壓電纜和車體等效為傳輸線。傳輸線模型大致分為π型、貝瑞隆模型和頻變傳輸線模型[12]。由于動車組升弓時車體過電壓電流來源較復雜，其頻率波動較大且含多個頻率分量，采用頻變傳輸線模型模擬過電壓電流在電纜、車體的傳播規(guī)律較為妥當。JMarti模型是較常用的頻變參數模型[12-13]，其等值計算電路見式( 1 )。該模型在穩(wěn)態(tài)計算中轉換為具有集中參數的π型電路，在暫態(tài)計算中利用有理函數近似線路的特性阻抗和傳播常數，并以串接的R-C電路模擬特性阻抗，既適用于穩(wěn)態(tài)計算，在高頻暫態(tài)下也有良好仿真特性和精確度。鑒于此，本文在ATP-draw界面中調用LCC模塊JMarti模型分別搭建動車組高壓電纜和車體模型。

( 1 )

式中：m，k分別為模型等值線路的端點和終點；imk(t)和ikm(t)分別為前向波和后向波電流；um(t)和uk(t)分別為線路端點和終點電壓；Zc為波阻抗；Ik(t)、Im(t)分別為等值歷史電流源。

針對動車組經過回流切斷點絕緣節(jié)出現的接地電弧現象，本文采用高速鐵路計及不同車速影響的高速鐵路電弧模型[14-15]模擬接地電弧，通過仿真計算分析接地電弧對車體過電壓及其分布的影響規(guī)律。該電弧模型將常用的Cassie和Mayr黑盒模型進行串聯，并將其合并，彌補了兩者缺點，能更真實地反映電弧的非線性動態(tài)特性[14-17]。模型微分方程為

( 2 )

式中：i為接地電弧電流;gC(t)、θC分別為Cassie模型瞬時電導和時間常數；gM(t)、θM分別為Mayr模型瞬時電導和時間常數；uC、P0(g)分別為接地電弧電壓常數及瞬時耗散功率。

根據式( 2 )的微分方程,通過在ATP-draw環(huán)境下，在MODELS模塊的文本編輯器中進行Fortran語言編程得到封裝的接地電弧模型。

2.2 參數選取

在車-網耦合等值電路模型中，牽引變電所由等值的工頻27.5 kV單相交流電源和RL阻抗表示。在ATP-EMTP中調用JMarti模型架設接觸網供電線路(其典型參數見表1)，其中，接觸線和承力索等效為一相二分裂導線。

表1 接觸網典型參數

通過計算，受電弓對地等值電容、高壓引線對地等值電容、電壓互感器勵磁電感分別取0.036 1 pF、0.2 pF、40 H。高壓電纜選用ERP絕緣的35 kV機車車輛專用電力電纜，其絕緣層采用乙丙橡膠，相對介質常數為3.0，外護套采用聚乙烯材料，相對介質常數為2.4；根據實際情況屏蔽層在各節(jié)車體均接地。由于動車組車體間不絕緣，根據分析需要將車體等效為一線芯很細、直徑很粗、絕緣材料為空氣的傳輸線；根據CRH2型動車組截面長寬計算出值為3 881 mm的截面等值直徑；各節(jié)車體模型以相應車廂車軸所在位置將車體劃分為5部分。為防止軸箱滾動軸承發(fā)生電蝕，各節(jié)車廂每輪對其中一軸箱內均設置一套接地碳刷，即每節(jié)車體有4套接地碳刷，其值取0.01 Ω；此外，CRH2型動車組的2、3、4號車體與5、6、7號車體通過接地端子箱相連接。目前CRH2系列動車組及后續(xù)車型CRH380A普遍使用MR-139型保護電阻器[18]，鑒于該型電阻器在高頻條件下呈感性，可近似等效為一純電阻和純電感的串聯，利用電橋法測得并計算出其等效電阻和等效電感，分別取0.5 Ω和14 μH。CRH2型動車組的車體接地和工作接地采用綜合實施法：前者分別設置在各動車車體(2、3、6、7號車)下，后者設置在各變壓器車體(2、6號車)下。鋼軌等值電阻取0.13 Ω/km，等值電感取0.862 6 mH/km。由于動車組牽引電流和車體電流在回流過程中流入鋼軌的電流有一部分泄漏至大地，引起鋼軌電勢抬升，故仿真模型也考慮了鋼軌泄漏電導[19]?？紤]高速鐵路多采用無砟軌道，泄漏電導取0.05 S。在本文的仿真計算中，均以運行動車組下方鋼軌泄漏電導的接地點作為參考電勢。由于站場運行的動車組與牽引變電所距離較近，鋼軌電勢很小，車體電勢可視為車體對鋼軌電壓。

3 站內各工況下車體電勢分布仿真計算

3.1 動車組升弓與正常行駛

圖6(b)是通過仿真計算得到動車組升弓時2號車的車體電勢波形，與文獻[7]的實測波形(見圖6(a))基本一致。由實測圖和仿真圖可知，車體最大浪涌過電壓峰值均超過5 kV，隨后迅速衰減，并穩(wěn)定在600 V內。根據文獻[20]第12.2.6條規(guī)定，車載電子設備所能承受最大浪涌過電壓為2 kV。

動車組升弓瞬間和正常行駛中車體電勢分布曲線分別見圖7、圖8。動車組升弓時車體過電壓分布規(guī)律的總體趨勢表現為對稱分布且中部低兩頭高。由于2、3、4號車和5、6、7號車之間由接地端子箱相連接，4號車體和5號車體直接通過接地碳刷與鋼軌相連。碳刷阻值極小，因此，4、5號車體電勢幾乎為0。動車組頭尾車可看作阻抗突變點，電壓波在傳播過程中會在頭尾車發(fā)生反射，則頭尾車電壓是行波和反射波的疊加。根據圖6可以看出，過電壓在頭車處最高，峰值達到7.4 kV。動車組正常行駛時車體最大電壓值穩(wěn)定在2 V內，在文獻[21]規(guī)定的范圍內(干燥和潮濕環(huán)境下長時允許的最大接觸電壓分別為33、16 V)。

3.2 動車組過側線牽引回流切斷點

圖9是動車組經過回流切斷點絕緣節(jié)時，鋼軌絕緣節(jié)瞬間位于車下7個不同位置(見圖5)和列車正常行駛時的車體電勢分布情況對比圖。由計算結果可知，絕緣節(jié)會使動車組車體電勢整體出現抬升現象，但對電勢在各車體的分布規(guī)律幾乎無影響。由于鋼軌充當牽引回流的導體，絕緣節(jié)越靠近牽引變電所其引起的回流不暢范圍越大，更多的回流成分將流經車體。因此，鋼軌絕緣節(jié)瞬間位于位置1時的車體電勢整體抬升最高，約為0.25 V；而絕緣節(jié)瞬間位于位置6、7時車體電勢幾乎未出現抬升。

動車組跨越回流切斷點絕緣節(jié)時容易出現電弧現象。據式(2)微分方程搭建的接地電弧模型,分別引入圖5的7個位置模擬列車瞬間通過7個位置時鋼軌后側與輪對間出現的電弧。圖10是由仿真計算得到的動車組跨越7個不同位置出現接地電弧時的車體電勢分布對比圖。由圖10可見，絕緣節(jié)出現接地電弧時輪對與鋼軌后側間仍保持電氣接觸，車體電勢最大值及其在各車體分布情況與列車正常行駛時的分布規(guī)律幾乎一致；而鋼軌絕緣節(jié)瞬間處于位置1時接地電弧的出現使動車組中部車體電勢較列車正常行駛略抬升。

4 計及列車接地優(yōu)化的車體過電壓分析

動車組接地系統(tǒng)分為2部分：保護接地和工作接地。保護接地包括車體接地和車載電氣設備接地，車載電氣設備接地的重點在于車頂高壓供電電纜屏蔽層的接地技術；工作接地即主回路電氣接地[2,8]。

4.1 電纜屏蔽層接地優(yōu)化

(1) 升弓時電纜接地點布局對過電壓影響

圖11是動車組升弓時電纜屏蔽層各種單點接地方式對應的車體電勢分布對比圖。由圖11可見，電纜在2、3、6號車單點接地時，車體電勢抬升均發(fā)生在列車位于電纜接地一側，最高浪涌過電壓可達20 kV以上，而列車另一側幾乎與鋼軌保持等電勢。動車車體間出現遠超2 kV車體電壓不僅會引起嚴重瞬間環(huán)流現象，還造成車體與轉向架間嚴重過電壓，引起轉向架上車載電氣設備損壞。由于4、5號車體通過接地端子箱與鋼軌相連，電纜在4、5號車單點接地時近似于車頂高壓電纜纜芯處的浪涌過電壓通過4、5號車體直接耦合至鋼軌，此時各車體電勢極小且?guī)缀蹙狻?/p>

表2 動車組升弓時電纜屏蔽層兩點接地的各動車車體電勢

表3 動車組升弓時電纜屏蔽層位置3、4、5點接地的各動車車體電勢

電纜多點接地時各車體電勢見表2、表3。由表可知，相較于單點接地，電纜多點接地對應的動車車體間最大浪涌電壓相對較低，但仍出現超過2 kV浪涌電壓，峰值最高可達14.88 kV(電纜在2、5號車兩點接地)；此外，電纜接地布局對電勢的影響規(guī)律主要表現為接地點越多，電勢在各車體分布越均勻。但電纜5點接地時動車間也會出現超過2 kV電壓，如3號車體與7號車體之間；由于4、5號車體與鋼軌幾乎直接相連，電纜在4、5號車兩點接地近似于弓頭浪涌過電壓通過車頂高壓電纜纜芯直接耦合至鋼軌，此時車體電勢極小且均衡。

(2) 計及正常工況的電纜接地優(yōu)化分析

根據表2、表3的仿真計算結果，電纜屏蔽層分別在4、5號車單點接地或在4、5號車兩點接地時，由于4、5號車體幾乎與鋼軌等電勢連接，而取流的受電弓位于4號車體，電纜屏蔽層通過電纜纜芯與屏蔽層間電磁耦合得到的瞬間過電壓通過4、5號車體直接接地向鋼軌泄流，使列車各車體電勢幾乎不受弓頭過電壓的影響。而當動車組正常行駛時列車主斷路器處于閉合狀態(tài)，一部分工作電流還會通過保護電阻器注入車體中。在ATP-EMTP平臺上通過仿真計算得到動車組正常行駛時電纜不同接地方式對應的各動車車體電勢，見表4。

表4 電纜不同接地技術對應各動車車體電勢

由表4可知，相較于電纜屏蔽層在各節(jié)車體的接地，電纜分別在4、5號車單點接地或兩點接地時，一些動車車體間將會出現更大的電壓。其中，單點接地時，動車車體間最大電壓達到0.361 7 V；兩點接地時，動車車體間最大電壓達到0.246 6 V，而電纜各點接地時動車車體間最大電壓僅為0.110 6 V。

4.2 動車組車體接地優(yōu)化

由于低壓電氣控制單元多集中在頭車，頭車車體過電壓易造成干擾。由圖7可見，動車組升弓時頭車車體出現高達7.4 kV瞬間過電壓。基于電容阻抗隨工作頻率增高而降低特性，本文采用在保護電阻器兩端并聯接地電容以抑制過電壓。動車組正常運行時并聯電容呈現高阻抗，可有效削弱牽引電流進入車體的回流分量；列車升弓時，由于浪涌過電壓頻率極高，并聯電容呈現低阻抗，可實現浪涌過電壓的有效泄放。

表5 不同接地電容對應的各動車車體電勢

圖12是保護電阻器兩端并聯不同電容值電容器對應的頭車車體升弓浪涌過電壓波形曲線；表5是對應的各動車車體電勢。由圖12可見，隨著接地電容C的增加，浪涌過電壓迅速減小。當C增加至0.1 μF時，車體瞬間過電壓峰值降低至100 V以下。由表5可見，隨著接地電容C的增加，各動車車體間電壓迅速減少，保護電阻器兩端并聯0.1 μF接地電容時各動車間已幾乎不會產生過電壓。動車組正常行駛時保護電阻器兩端并聯不同電容值電容器對應的車體電勢分布情況見圖13，由圖13可見，隨著接地電容C增加，車體電勢幾乎不變，結合圖10可知，動車組正常運行時并聯接地電容對車體電勢及其分布情況的影響可忽略不計。

4.3 動車組工作接地優(yōu)化

CRH2型動車組工作接地系統(tǒng)采用直接接地方式，即車載變壓器初級線圈負極直接通過接地碳刷連接至列車驅動軸上。將工作接地由直接接地優(yōu)化為電容器接地可有效降低車體電勢，進而減小各動車車體間電壓。其原理是列車正常行駛時接地電容阻抗較高，牽引電流通過保護接地電阻器流入車體分量較少；浪涌過電壓發(fā)生時接地電容呈低阻抗，利于浪涌電流向車下傳播。通過仿真計算得到主回路通過不同電容值電容器接地對應的列車正常行駛時的車體電勢分布曲線(見圖14)。由圖14可見，當接地電容值在10 μF范圍內，隨著接地電容C的降低，各車體穩(wěn)定電勢迅速減小。

由表2、表3可知，當高壓電纜屏蔽層分別在4、5號車單點接地或在4、5號車兩點接地時，升弓浪涌過電壓幾乎不會對車體有任何沖擊，而該接地方式下動車組正常行駛對應的動車車體間卻會出現較高電壓，易引起環(huán)流。本文通過仿真計算得到高壓電纜屏蔽層分別在4、5號車單點接地或兩點接地時，主回路分別通過0.1、1、10 μF電容接地對應的各節(jié)動車車體電勢分別見表6～表8。在一定范圍內，隨著接地電容值的降低，車體電勢迅速減小?？紤]到暫態(tài)過電壓發(fā)生時若接地電容容值取值太低，接地碳刷發(fā)生接觸不良等問題時容易造成過電壓反擊損壞主變壓器。因此，主回路接地電容取值也不宜過小。

表6 電纜在4號車單點接地時各動車車體電勢

表7 電纜在5號車單點接地時各動車車體電勢

表8 電纜在4、5號車兩點接地時各動車車體電勢

5 結論

針對CRH2型動車組出站過程中出現的車體電勢驟變及各車體電勢分布不均問題，本文將動車組發(fā)車過程劃分為升弓、正常行駛和過鋼軌絕緣節(jié)3種典型工況，通過理論和ATP-EMTP軟件的仿真計算對計及高速鐵路站內各典型工況車體過電壓產生來源及分布情況進行分析；此外，針對動車組經過牽引回流切斷點時絕緣節(jié)出現的電弧現象搭建了封裝的接地電弧模型；最后從接地角度提出了相應的優(yōu)化措施，得出如下結論：

(1) 動車組升弓和經過牽引回流切斷點絕緣節(jié)過程中均會出現車體電勢驟變及各車體電勢分布不均。前者危害主要表現為過高幅值車體過電壓的出現及瞬變過電壓分布的不均，其出現時間雖短，但最大峰值瞬間可達7.4 kV，遠遠超過車載電子設備能承受最大浪涌過電壓；后者危害主要表現為動車組的牽引電流無法正?；亓骷皠榆嚱M接地造成的復雜環(huán)流。此外，動車組升弓時車體電勢分布情況總體趨勢表現為對稱分布且中間低、兩頭高；動車組正常行駛或過鋼軌絕緣節(jié)時電勢分布規(guī)律表現為中間高兩頭低。

(2 )動車組經過牽引回流切斷點絕緣節(jié)時接地電弧的出現使輪對與鋼軌后側間仍保持電氣接觸，此時車體電勢及其分布情況與動車組正常行駛時幾乎一致。電弧斷開后，由于牽引電流無法通過絕緣節(jié)有效回流，一部分電流流經車體和動車轉向架，造成車體電勢抬升，但均穩(wěn)定在2 V以下，且電勢的分布規(guī)律與列車正常行駛時幾乎一致。

(3) 隨著電纜屏蔽層接地點增加，電勢在車體分布愈均勻；由于CRH2型動車組的4、5號車體幾乎與鋼軌相連。當電纜在4、5號車單點接地兩點接地時，升弓時各車體幾乎不會產生過電壓，但動車組正常行駛時該接地方式會導致動車車體間出現較高電壓，引起較顯著接地環(huán)流，長時間易引起轉向架軸承電蝕；而動車組主回路通過適當容值的電容器接地可解決此問題。此外，在動車組保護電阻器兩端并聯濾波電容對抑制升弓引起的車體過電壓及動車車體間最大過電壓有較好的抑制效果，且對動車組正常運行時車體電勢及其分布情況幾乎無影響。

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